劉婉妮

（西安歐亞學院 信息工程學院，陜西 西安 710065）

0 引 言

在新工科時代背景下，對通信工程專業人才培養模式、課程體系、學生的綜合實踐能力等方面提出了全新的要求。“信號與系統”“數字信號處理”“通信原理”“移動通信”“移動通信網絡規劃和優化”等課程是通信工程專業課程體系的核心組成部分，這五門課程在知識的繼承和銜接上遵循嚴格的邏輯關系，在課程設置中多將它們作為課程群進行建設，該課程群不僅涉及到信號與系統分析和處理的整套理論，而且更注重運用課程的相關理論解決工程領域中的實際問題[1]。但該課程群的一個共同特點是理論性、系統性較強，理論結果往往來源于復雜的數學運算和推導，且課程中大量信號分析的結果缺乏可視化的直觀表現，學生在學習該類課程中普遍存在對物理概念理解不清晰、畏難情緒嚴重、缺乏工程實踐應用價值的探索興趣等現象，使該課程群一直處于教難、學更難的境況[2]。

教育部在《關于2017-2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》文件中要求：深入推進信息技術與高等教育實驗教學的深度融合，不斷加強高等教育實驗教學優質資源建設與應用，著力提高高等教育實驗教學質量和實踐育人水平[3-4]。虛擬仿真技術具有成本低、自由度高、交互性強、可循環利用等優點，在學生工程實踐能力和創新能力培養方面具有明顯優勢，在通信工程專業的理論和實驗課程教學中已經獲得了廣泛應用。本文以西安歐亞學院通信工程專業核心課程改革為例，探討虛擬仿真技術在專業核心課程群教學中的應用情況。

1 虛擬仿真技術應用于教學的必要性和先進性

（1）有效延伸和擴展傳統的教學內容

虛擬仿真技術在“信號與系統”“數字信號處理”等課程中的應用：利用MATLAB強大的信號處理能力及可視化的圖形用戶GUIDE工具，以交互的方式對“信號與系統”中的重要內容進行動態仿真[5]，并將枯燥的理論知識與有趣的工程實踐相結合，讓學生在直觀的演示中理解問題的本質和意義，提高學生的學習興趣和積極性。

虛擬仿真技術在“通信原理”“移動通信”等課程中的應用：該類課程以完整的通信系統為對象，以研究系統拓撲結構和參數值為目標，使其同時滿足系統性能指標和設計約束；課程主要應用MATLAB Simulink、LabView、SystemView等軟件快速搭建通信系統并進行約束條件下的系統仿真，對仿真結果進行分析，從而預測系統在實際環境中的運行情況。

“移動通信網絡規劃和優化”課程內容是以移動通信網絡項目建設的全流程為主線，將移動通信網絡規劃建設期、測試優化發展期、專題運維成熟期的實際工程項目借鑒遷移到課程教學中來，但由于知識體系較龐大、實驗條件受限，在傳統的教學中很難兼顧完整的項目過程，通過虛擬仿真技術實現虛實結合、相互補充，從網絡的接入到傳輸，從業務接口到信令接口，從網絡規劃、設備安裝、配置調測到網絡優化，真正實現了移動通信網絡全程覆蓋。

（2）打破實驗時間、空間受限的障礙

由于通信專業核心課所涉及的實驗設備較昂貴，實驗室不能隨意開放，學生只能在規定的時間內進行實驗操作，所有學生只能“齊步走”；同時由于設備數量有限，一般以小組為單位進行協作完成，難免部分學生有“搭車”之嫌，另外移動通信設備的網管系統支持的在線用戶數有限，使得實驗資源利用率和實驗效率均較低。同時，為了避免學生由于知識掌握不透徹引起各種突發事件，在教學中老師會詳細介紹操作步驟和注意事項，這一教學模式盡管降低了儀器損毀的概率，但同時也降低了學生的學習興趣[6]。而虛擬仿真實驗不受場地、器件等因素的影響，實驗時有臨場感和沉浸感，學生可根據自己的學習進度實現個性化的學習需求，并可以根據實驗結果反復測試與調整，避免千人一面的實驗結果，給予學生較好的創新探究的發揮空間[6]。

（3）緩解通信實驗設備更新壓力

信息通信技術具有技術高度密集、實踐性要求高和更新換代迅速等特點，對于很多民辦院校而言，在信息通信技術更新速度快、實體設備費用高、不同廠家設備差異大和使用周期短的實驗和實訓條件下，要投入大量資金阻力較大。同時在實際的實驗過程中，設備損壞、系統癱瘓、儀器燒毀情況時有發生，學校每年需要花費大量的財力進行通信設備的維修、儀器的重復引進和消耗材料的購置。而通過虛擬仿真技術不僅可以模擬真實的“現網”場景[7]，讓學生獲得與操作真實設備所需的同樣的知識和技能成為可能，并且通過軟件升級就可將課程無縫切換到未來網絡的規劃和設計中，在有效解決以上諸多問題方面有顯著優勢。

2 虛擬仿真技術應用于課程群的典型案例

2.1 MATLAB在信號處理類課程中的應用

MATLAB是由美國MathWorks公司發布的主要面向科學計算、可視化及交互式程序設計的計算軟件[8]，以其強大的科學計算和圖形繪制功能，被廣泛地應用于信號處理類課程的教學中，能夠將晦澀的理論知識具體化、形象化，達到既掌握理論知識又拓展工程實踐能力的目的。下面以語音信號去噪為例，介紹MATLAB在信號處理課程中的應用。

在信號處理類課程中，如何選擇合適的數字濾波器解決實際工程問題是教學的重點和難點，在教學中常以語音信號去噪案例展開教學，借助MATLAB工具，實現語音信號采集與去噪系統的仿真，通過設計Butterworth、Chebyshev的I2R數字濾波器，分別實現基于巴特沃斯和切比雪夫低通、高通、帶通和帶阻濾波器的除噪功能，恢復原始語音信號，分析不同濾波器處理前后語音信號的時域、頻域特性，并從理論推導、仿真結果分析和聽覺感受三個方面進行效果對比。具體仿真流程和仿真結果如圖1、圖2所示。

圖1 語音信號去噪仿真流程

圖2 語音信號去噪仿真波形

2.2 LabVIEW在通信原理課程中的應用

LabVIEW是由美國國家儀器（NI）公司開發的一種圖形化的編程環境，其最大的特點是程序框圖化，通過前面板的輸入控件和顯示控件可觀察輸入條件及輸出結果，通過后面板的框圖化程序可看到前面板運行結果是如何具體實現的[9-10]。利用LabVIEW的窗函數、濾波器、頻譜分析、功率譜分析等控件，可以方便地搭建、觀察和分析通信系統。下面以AM調制解調系統的仿真為例，介紹LabVIEW在通信原理課程中的應用。

幅度調制（AM）是模擬通信系統中一種最常見的線性調制方式[11]，借助LabVIEW可以方便地搭建AM調制系統。系統前面板如圖3所示，通過前面板參數的設置，可得到所需頻率和幅值的AM信號，并能夠實現對該信號的調制和解調，最后用簇將信號的波形和頻譜分別打包后通過示波器將波形和頻譜顯示出來。

圖3 AM調制系統仿真前面板

圖4為AM調制解調系統的后面板，從后面板程序中可以清楚地看出AM系統的構成和前面板功能是如何實現的，發送端的基帶信號經AM調制模塊后產生AM已調信號，基帶信號和AM信號經FFT運算得到基帶信號和AM信號的頻譜。AM信號加入噪聲后到達接收端，將AM信號先與載波相乘，然后再通過一個低通濾波器（即相干解調），接收濾波器的截止頻率要略高于基帶信號頻率，從而得到AM解調信號。程序框圖中的AM控件是自定義的一個子程序，在主程序中被調用，其設計如圖5和圖6所示。用多諧波發生器產生一個仿真基帶信號，將它和直流偏移相加，再和一個多諧波發生器產生的余弦波相乘，便可以得到AM調制信號。

圖4 AM調制系統仿真后面板

圖5 AM子程序前面板

圖6 AM子程序后面板

2.3 基于VR的虛擬仿真技術在“移動通信網絡規劃和優化”課程中的應用

“移動通信網絡規劃和優化”課程內容以移動通信網絡項目建設的全流程為主線，將移動通信網絡的實際工程項目借鑒遷移到課程教學中來，但由于知識體系較龐大、實驗條件受限，在傳統的實驗教學中多以設備安裝調測及網絡優化為主，很難兼顧完整的項目過程，致使實驗的系統性不足。而借助虛擬仿真技術，搭建覆蓋通信系統全過程的虛擬仿真實驗，實驗中所用的部署標準、4G/5G設備、分析方法都與現網同步且一致，實現實驗條件和真實工作環境的“無縫對接”，全方位、多層次地培養學生工程實踐能力[12]。

以5G網絡基站安裝為例，通過虛擬技術實現一個通信機房從無到有的搭建過程，模擬站點工程師依照安裝規范進行基站設備安裝，形象地仿真了基站BBU、AAU、GPS、饋線、光纖等設備線纜安裝連接全過程。學生可根據要求建立一個空置的機房內景和機房外景模型，在此基礎上，根據實驗提示分別選擇器材庫中的設備和輔材，將通信主設備和相關輔材模型逐個安置在機房內外指定的區域和位置，所有設備和輔材均可360°全方位地展示，在實驗過程中學生需結合所學知識及原理，對器材庫實驗步驟和實驗結果做出分析、判斷、決策與“試誤”。圖7、圖8分別為5G基站搭建及5G網絡機房搭建模型。實驗過程采用“闖關式”設計，通過“虛實結合”的教學手段[13]，有效培養了學生工程實踐能力和解決通信工程中復雜工程問題的能力。

圖7 5G基站器材庫搭建

圖8 虛擬5G基站室內環境搭建

3 結 語

實踐證明，虛擬仿真技術在教育領域的生命力在于很大程度上提升了學生的學習質量，解決實際教學中課程難度大、課堂教學枯燥乏味、學生實踐技能薄弱等問題，緩解傳統實驗教學的壓力，節省時間、空間和硬件成本資源，實現對傳統教學的擴展和延伸。盡管虛擬仿真教學有諸如上述優勢，但虛擬仿真與實際實驗相比，仍存在不能很好地識別學習者在真實工程環境中所呈現的個性差異等不足[14]，因此在實際應用中應把握好虛擬仿真與實際實驗的關系，虛實結合，以虛補實，解鎖教育教學新技能。